1553B接口伺服系統頻率特性測試儀設計

孫宏云 李文清

1.北京航天自動控制研究所，北京100854

2.中國運載火箭技術研究院研究發展中心，北京100076

頻率特性是伺服系統的一項重要特性，在開展飛行器控制系統半實物仿真試驗前必須對伺服系統進行頻率特性測試以檢驗其是否滿足相關技術指標，掌握其對整個仿真試驗系統的影響。早期的伺服系統一般采用模擬信號作為控制輸入，對于這種伺服能夠使用1250 頻率響應分析儀直接完成頻率特性測試。但隨著1553B 數字總線在飛行器控制系統中的應用，伺服系統將總線接口集成到控制器中，直接從數字總線獲取控制輸入，1250 頻率響應分析儀已不能完成對此類伺服的頻率特性測試。本文介紹一種1553B 接口伺服系統頻率特性測試儀的設計方案，并搭建測試驗證環境對其測試準確性進行了驗證。方案采用虛擬儀器的思想［1］，利用某飛行器仿真計算機豐富的硬件接口及其在計算處理和存儲顯示方面的優勢，設計專用軟件實現了頻率特性測試功能。

1 硬件組成

頻率特性測試儀的硬件完全借助該飛行器的仿真計算機。仿真機具有豐富的硬件接口和實時計算處理能力，能以軟硬件結合的方式構建物理仿真模型，為被測對象提供實際工作時的輸入輸出條件。該飛行器的仿真計算機采用PXI 構架，配置凌華6880 處理器刀片、Condor QCP-1553B 板卡、研華MIC-3716 A/D 采集卡及其它接口模件。6880 處理器刀片主要完成飛行器模型實時計算;QCP-1553B是一款1553B 總線仿真卡，能同時模擬總線BC，BM和31個RT，在半實物仿真中用于等效慣組、綜控器和伺服控制器等單機的RT 接口;MIC-3716 用于采集飛行器舵擺角測量傳感器的輸出。本文設計的伺服系統頻率特性測試儀利用上述仿真計算機硬件配置，將QCP-1553B 初始化為BC 功能模擬飛控計算機向伺服系統發送控制指令，通過MIC-3716 同步采集伺服舵擺角輸出，對輸入和輸出數據進行相關算法處理，得到伺服系統頻率特性。

2 測試算法

將測試信號輸入到被測系統，同步采集系統的輸入與輸出，使用相關算法處理采集數據即可得到系統頻率特性［2］。測試信號可使用正弦掃描、白噪聲、Chirp 信號或Multitone 信號。由于正弦掃描穩定可靠、精度較高，只是在測試速度上相對較慢［3］，并且使用正弦掃描能很方便地測出系統在關注頻率點上的特性，所以選擇其作為本方案的測試輸入。

設被測對象輸入信號為x(t)= asinωt，輸出信號y(t)= bsin(ωt + φ)，將y(t)展開得:

其中，c1= bcosφ，c2= bsinφ。

為求c1，將y(t)乘以sinωt 并在N個周期內積分:

同樣，將y(t)乘以cosωt 并在N個周期內積分可求得c2:

利用輸入輸出采樣數據，通過數值積分計算出等式(2)和(3)中的積分項，可得被測對象在角頻率ω 處的系統增益和相移分別為:

3 功能實現

第2 節測試算法中的數值積分使用辛普森數值積分法，該算法需要積分上下限時間范圍內等步長時間點上系統的輸入與輸出采樣。本方案通過QCP-1553B 板卡實現采樣間隔的精確控制。

QCP-1553B 的BC 模擬功能將消息排列成稱為“Minor Frame”的多個幀(MiF#1 ～MiF#n)，1個幀中的每條消息以可選的首尾間隔時間(gap time)順序發送，而各個幀將以指定的首首間隔時間(Minor Frame time)依次運行。當BC 運行在“one shot”模式，最后一幀MiF#n 運行結束后BC 即自動停止，而當BC 運行在“loop”模式，與MiF#n 開始運行時刻間隔Minor Frame time 時長后將再次運行MiF#1，直到人為停止BC。使用者需保證安排在每一幀中的所有消息發送時間之和小于Minor Frame time 時長。以上通訊中的時間間隔都通過板卡上自帶的1us 分辨率硬件時鐘進行控制，具有ns 級的高精確度，所以也可作為采樣時刻的時鐘參考，通過查詢BC 消息幀運行狀態實現采樣周期控制。

根據QCP-1553B 板卡BC 模擬功能的運行機制，測試儀只定義1個消息幀并運行在“loop”模式下。與1553B 總線接口伺服的指令刷新周期相同，Minor Frame time 設置為1ms。幀所包含的消息參照飛控計算機與伺服系統間的通訊協議進行定義，幀自動循環運行時各消息的命令字保持不變，只按測試指令在每個幀周期更新其數據字。測試程序通過不斷查詢板卡1553_control_reg 寄存器獲取BC 運行狀態，該寄存器的bcb(bc busy)位有效時表示消息幀正在運行中，無效時表示BC 正處于再次運行消息幀的等待狀態。當bcb 位從無效變為有效時進行AD 采集，當bcb 位從有效變為無效時更新消息數據字。因1553B 總線接口集成在伺服控制器中，伺服任務書中規定1553B 指令傳輸造成的響應延遲包含在整個伺服的動態特性指標要求中。同時，1kHz 的輸入輸出采樣頻率遠大于飛行器伺服機構規定動態性能指標的頻率范圍(1 ～400rad/s)，上述定時周期設置與查詢處理方法符合伺服頻率特性測試需求。

為實現測試指令輸入與輸出采樣的時間同步，必須保證測試程序能及時查詢到bcb 位狀態從無效變為有效并立即完成AD 采集，這需要測試儀的操作具有快速性和嚴格的實時性，而仿真機的Windows XP + RTX 實時環境恰好能滿足這一要求。RTX 采用HAL 擴展技術為Windows XP 操作系統安裝實時子系統RTSS，并對HAL 修改，在Windows 和RTX 線程間增加中斷隔離，當運行RTSS 線程時，屏蔽Windows 控制中斷保證RTSS線程的實時性。并且，RTSS 子系統采用獨立的實時線程調度，其優先級高于所有Widows 線程調度，進一步保證了任務完成的實時性。RTX 還支持對I/O、內存等硬件的直接操作，不受Windows系統影響，從而確保程序與硬件接口間數據的實時交互。但同時，RTX 又能與Windows 系統無縫地結合在一起，可以利用Windows 系統所有的優勢，簡化測試程序設計［4］。

基于仿真機的Windows+RTX 實時環境，測試軟件功能通過RTSS 進程和Win32 進程配合實現。測試中對硬件接口的訪問放置于RTSS 進程中，保證能在實時查詢到BC 消息幀啟動后立即操作MIC-3716 采樣伺服輸出。Win32 進程完成配置文件讀取、測試啟?？刂啤⒉蓸訑祿嬎闾幚砗蜏y試結果顯示存儲等非實時任務。2個進程之間通過共享內存和事件體通訊。RTSS 進程的運行流程如圖1 所示。

Win32 進程讀取包含測試頻率點、激勵幅值、測試周期等信息的配置文件，依據配置信息對每個頻率點按1ms 間隔采樣asinωt 函數值，生成輸出序列后傳遞給RTSS 進程。RTSS 進程通過查詢bcb 狀態位控制AD 采集和BC 消息幀更新時刻，在完成序列輸出和伺服角位移采集后將采樣數據傳遞給Win32進程進行該頻率點的幅頻特性計算。軟件運行效果見圖2。

圖1 RTSS 進程運行流程圖

圖2 測試軟件運行效果

4 測試驗證

為對頻率特性測試設備的測試準確性進行驗證，基于數字計算機構建被測對象。該計算機同樣運行Windows + RTX 實時環境，配置1 塊QCP-1553B 多功能板卡模擬伺服RT 接口接收測試指令，另外配置1 塊凌華CPCI-6208 DA 板卡將被測模型的輸出轉換為對應電壓量。被測模型是頻率特性已知的傳遞函數，采用四階龍格庫塔數值計算方法，每收到1553B 總線指令后進行1ms 步長的遞推計算。在上述測試環境下，對1/(0.02S+1)一階慣性環節進行測試，選取某飛行器伺服系統任務書中規定的測試頻率點，由于測試儀1ms 進行1 次伺服指令更新，所測理論值應是該環節的零階保持離散化后的頻率特性，實測值與理論值比較見表1。

表1 理論與實測結果

從測試結果可以看出，測試儀具有較高的測試精度，在所搭建的測試環境下，各測試頻率點上實測值與理論值的幅頻偏差在0.04dB 以內，相頻偏差在0.04°以內。

5 結論

1553B 接口伺服系統頻率特性測試儀設計方案采用虛擬儀器的思想，通過在半實物仿真試驗系統已有硬件基礎上設計了專用測試軟件實現，降低了測試成本。本方案已應用于多個項目，成功檢驗了伺服系統實際特性，解決了使用傳統1250 頻率響應分析儀不能直接進行特性測試的問題。

［1］趙四軍，王少萍，尚耀星. 基于虛擬儀器的液壓伺服系統頻率特性測試［J］. 液壓與氣動，2009，(3):44-46. (ZHAO Si jun，WANG Shao ping，SHANG Yao xing. Frequency characteristic test of hydraulic servo system based on birtual instrum ent［J］. Chinese Hydraulics ＆ Pneumatics，2009，(3):44-46.)

［2］胡壽松. 自動控制原理第四版［M］. 科學出版社，2001，5:172.

［3］沈偉，蘭山.伺服系統頻率特性測試方法研究［J］. 實驗技術與管理，2011，28(11):268-271. (Shen Wei，Lan Shan. Research on testing method of frequency characteristic for servo system［J］. Experimental Technology and Management，2011，28(11):268-271.)

［4］黃鍵，宋曉，薛順虎.RTX 平臺下實時仿真系統的設計方法［J］. 計算機應用與軟件，2009，26(4):167-169. (Huang Jian，Song Xiao，Xue Shunhu. Design method of real-time simulation system based on RTX platform［J］.Computer Application and software，2009，26(4):167-169.)